一种电流型高精度集成数字温度传感器

技术领域

本申请涉及一种电流型高精度集成数字温度传感器，属于温度传感器技术领域。

背景技术

温度传感器是现代信息采集技术领域的重要器件，高精度的温度传感器在工业生产监控、环境监测和生物医学仪器等众多需要对温度进行测量和控制的领域得到广泛的应用。传统型温度传感器的实现方式主要有热电偶、热敏电阻、电阻温度检测和硅PN节温度传感器四种方式，前三种方式只能提供模拟信号输出，若应用于现代控制系统中需要配置比较器、模数转换器等外置器件。硅PN节温度传感器是利用硅二极管和双极晶体管的PN节能产生正比于温度的电压这一特性制作的温度传感器，采用CMOS或Bicmos工艺制作两个NPN或PNP晶体管，并使得这两个晶体管具有不同的电流密度，利用双极晶体管不同电流密度下V

但现有的基于硅PN节的温度传感器存在着一系列的问题。首先，因为与绝对温度成正比的ΔV

发明内容

本申请的目的在于提供一种电流型高精度集成数字温度传感器，适用于低电源电压场景，电路结构相对简单且可实现对温度的高精度测量，解决现有技术中传统的温度传感器通过电压型ADC很难实现低电源电压情况下的高精度测量，电路复杂性高且使用需要额外进行校准的问题。

为实现上述目的，本申请提供了一种电流型高精度集成数字温度传感器，包括：

电流产生电路，用于产生与绝对温度成正比的I

电流镜像和求和电路，上述电流镜像和求和电路的输入端与上述电流产生电路的输出端连接，用于对上述I

电流型Sigma-DeltaADC电路，上述电流型Sigma-DeltaADC电路的输入端与上述电流镜像和求和电路的输出端连接，用于根据上述I

在一种实现方式中，上述电流产生电路包括：双极型晶体管Q1、Q2，P型场效应晶体管M1、M2、M3和M4，N型场效应晶体管M5，电阻R1、R2和R3，以及放大器A1；

上述M1、M2、R1、Q1串联，上述M3、M4、Q2串联；上述A1的正输入端与M4的漏端连接，输出端与M5的栅端连接；上述Q1、Q2的集电极和上述A1的负输入端均与地连接，上述R3串联于上述A1与地之间；上述M1、M2分别与M3、M4组成双电流镜，使得M2和M4的漏端电位相同，且M3、M4中的电流与M1、M2中的电流比例为p：1，则上述I

其中，V

A1的正输入端和负输入端电压相等，在A1的作用下，R3两端的电压差为V

在一种实现方式中，上述M1和M3组成的电流镜、上述M2和M4组成的电流镜、以及上述Q1和Q2之间均采用动态元件匹配技术。

在一种实现方式中，上述R2串联于上述Q2和地之间。

在一种实现方式中，上述电流镜像和求和电路包括：P型场效应晶体管M6、M7、M8、M9、M10和M11，N型场效应晶体管M12、M13、M14和M15；

上述M6镜像上述M1中的I

上述M11和M15为两个开关管且不同时导通，当M11导通时M15截止，当M15导通时M11截止，其中，上述M11为PMOS管，上述M15为NMOS管。

在一种实现方式中，上述电流型Sigma-DeltaADC电路包括：电流积分器、电压积分器、比较器、触发器和计数器。

在一种实现方式中，上述电流积分器包括：开关S1、S2和S3，电容CI和运算放大器A2；

上述S1连接在上述M11、M15的漏端和运算放大器A2的负输入端，上述S2连接在上述M11、M15的漏端和运算放大器A2的正输入端，上述A2的正输入端接地，上述S3和上述CI并联且均连接在上述A2的负输入端和输出端之间。

在一种实现方式中，上述电压积分器包括：开关S4、S5、S6和S7，电容C1和C2，以及运算放大器A3；

上述S4连接在上述A2的输出端和上述C1的下极板之间，上述S5连接在上述C1的下级板和地之间，上述S6连接在上述C1的上极板和地之间，上述S7连接在上述C1的上极板和上述A3的负输入端之间，上述C2连接在上述A3的负输入端和输出端之间，上述A3的正输入端接地。

在一种实现方式中，上述电压积分器的输出端连接在比较器COMP1的正输入端和比较器COMP2的负输入端，上述比较器COMP1的负输入端接比较电平Vcom1，上述比较器COMP2的正输入端接比较电平Vcom2。

在一种实现方式中，上述比较器COMP1的输出端连接在带有复位置位功能的D触发器的置位端，上述比较器COMP2的输出端连接在上述D触发器的复位端，上述D触发器的输出端连接在上述M11和M15的栅端，用于控制上述M11和M15导通或截止，上述D触发器的输出端同时也作为上述计数器的输入端。

由上可见，本申请提供了一种电流型高精度集成数字温度传感器，可应用于先进工艺下低电源电压场景的高精度温度测量，包括用于产生与绝对温度成正比的I

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的温度传感器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的电流型高精度集成数字温度传感器的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的电流产生电路和电流镜像和求和电路的局部放大示意图；

图4为本申请实施例提供的电流型Sigma-DeltaADC电路的局部放大示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

图1为传统的温度传感器结构图，目前现有的专利和大多数论文资料均在此基础上进行改进。传统的温度传感器为把温度信息转化为数字信号，需要利用双极型晶体管产生一个与绝对温度成正比的电压V

其中，k是玻尔兹曼常数，T是温度(单位：k)，q是电子电荷，I

由于ΔV

V

ADC转换器转换αΔVBE和V

其中，选择系数A＝600和B＝273以获得以摄氏度为单位的数字输出。

目前所查阅到的专利基本上是基于此方案进行的改进，改进的方向主要有：(1)通过动态器件匹配(DEM)方式提高电流镜的匹配精度；(2)通过三极管的电流增益补偿技术提高V

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种电流型高精度集成数字温度传感器，通过对整体的电路结构进行改进，通过得到与温度相关的电流关系进而得到温度信息，实现了低电源电压场景的高精度温度测量，功耗更低，电路结构更加简单且无需再进行额外校准，减少了产品量产工序。图2示出了本申请实施例提供的电流型高精度集成数字温度传感器结构示意图。

具体的，请参阅图2-4，该电流型高精度集成数字温度传感器包括：

电流产生电路，用于产生与绝对温度成正比的I

电流镜像和求和电路，上述电流镜像和求和电路的输入端与上述电流产生电路的输出端连接，用于对上述I

电流型Sigma-Delta(ΣΔ)ADC电路，上述电流型Sigma-DeltaADC电路的输入端与上述电流镜像和求和电路的输出端连接，用于根据上述I

进一步的，如图3所示，上述电流产生电路包括：双极型晶体管Q1、Q2，P型场效应晶体管M1、M2、M3和M4，N型场效应晶体管M5，电阻R1、R2和R3，以及放大器A1；

在一种应用场景中，上述M1、M2、R1、Q1串联，上述M3、M4、Q2串联；上述A1的正输入端与M4的漏端连接，输出端与M5的栅端连接；上述Q1、Q2的集电极和上述A1的负输入端均与地连接，上述R3串联于上述A1与地之间；

在实际应用中，上述电流产生电路的工作原理为：上述M1、M2分别与M3、M4组成双电流镜，使得M2和M4的漏端电位(即A点和B点的电位)相同，且M3、M4中的电流与M1、M2中的电流比例为p：1，则上述I

V

其中，V

A1的正输入端和负输入端电压相等，在A1的作用下，R3两端的电压差为V

进一步的，上述M1和M3组成的电流镜、上述M2和M4组成的电流镜、以及上述Q1和Q2之间均采用动态元件匹配技术(DEM)，可提高电流镜的匹配精度，减小电路中各元件之间的失配造成的精度影响。

进一步的，上述R2串联于上述Q2和地之间，具体的，为了补偿先进工艺条件下因电流增益β值太小而导致的V

进一步的，如图3所示，上述电流镜像和求和电路包括：P型场效应晶体管M6、M7、M8、M9、M10和M11，N型场效应晶体管M12、M13、M14和M15；

在一种应用场景中，上述M6镜像上述M1中的I

上述M11和M15为两个开关管且不同时导通，在实际应用中，当M11导通时M15截止，当M15导通时M11截止，M11和M15的导通或截止由后续电流型Sigma-DeltaADC电路的输出控制，其中，上述M11为PMOS管，上述M15为NMOS管。

在本申请实施例中，没有按照传统方式在I

进一步的，如图4所示，上述电流型ΣΔADC电路包括：电流积分器、电压积分器、比较器、触发器和计数器。

进一步的，上述电流积分器包括：开关S1、S2和S3，电容CI和运算放大器A2；

在一种应用场景中，上述S1连接在上述M11、M15的漏端和运算放大器A2的负输入端，上述S2连接在上述M11、M15的漏端和运算放大器A2的正输入端，上述A2的正输入端接地，上述S3和上述CI并联且均连接在上述A2的负输入端和输出端之间。其中，开关S1的控制信号为clk1，S2、S3的控制信号为clk2，clk1和clk2为双相不交叠时钟。

进一步的，上述电压积分器包括：开关S4、S5、S6和S7，电容C1和C2，以及运算放大器A3；

在一种应用场景中，上述S4连接在上述A2的输出端和上述C1的下极板之间，上述S5连接在上述C1的下级板和地之间，上述S6连接在上述C1的上极板和地之间，上述S7连接在上述C1的上极板和上述A3的负输入端之间，上述C2连接在上述A3的负输入端和输出端之间，上述A3的正输入端接地。

进一步的，上述电压积分器的输出端连接在比较器COMP1的正输入端和比较器COMP2的负输入端，上述比较器COMP1的负输入端接比较电平Vcom1，上述比较器COMP2的正输入端接比较电平Vcom2。

进一步的，上述比较器COMP1的输出端连接在带有复位置位功能的D触发器的置位端，上述比较器COMP2的输出端连接在上述D触发器的复位端，上述D触发器的输出端连接在上述M11和M15的栅端，用于控制上述M11和M15导通或截止，上述D触发器的输出端同时也作为上述计数器的输入端。

在一种应用场景中，上述电流型高精度集成数字温度传感器的工作原理如下：

假设电压积分器初始电压为0，D触发器的初始状态Q为低电平，开关管M11导通，M15截至，αI

其中，α为增益，t表示时钟周期的一半时间，经过N1个周期后，当电压积分器电压大于比较器COMP1的比较电平Vcomp1时，比较器COMP1输出高电平，使D触发器置位，Q由低电平变为高电平。Q变为高电平后，M11管断开，M15管导通，电流积分器的输入变为(I

因为I

V

由以上公式可得：

其中，N1表示Q为高电平的周期数，N2表示Q为低电平的周期数。重复以上过程，Q的高电平和低电平次数通过后续的计数器进行计算，该值反应的就是I

由上可见，本申请实施例提供了一种电流型高精度集成数字温度传感器，可应用于低电源电压场景的高精度温度测量，包括用于产生与绝对温度成正比的I

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例所提供的方法及其细节举例可结合至实施例提供的装置和设备中，相互参照，不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置/设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。